2020年数控机床机电系统有机结合分析与设计参照模板课件.pptx
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1、数控机床机电系统有机结合分析与设计数控机床机电系统有机结合分析与设计 以机电伺服系统设计为例,重点学习:以机电伺服系统设计为例,重点学习:机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法 机电有机结合的动态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法主要任务主要任务:围绕被控制对象的具体要求,采围绕被控制对象的具体要求,采用合理的设计方法,寻求最终获取机械运动用合理的设计方法,寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。规律和运动性能指标参数。1/11/202316.1 稳态与动态设计稳态与动态设计机电伺服系统设计过程:机电伺服系统设计过程:1.初步设计方案初步设计方案 包括系统主要
2、元部件种类、各部分之间连接方包括系统主要元部件种类、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等偿方法、信号转换方式等1/11/202326.1 稳态与动态设计稳态与动态设计机电伺服系统设计过程:机电伺服系统设计过程:1.初步设计方案初步设计方案2.理论设计理论设计 稳态设计稳态设计 使系统的输出运动参数达到技术要求。使系统的输出运动参数达到技术要求。执行元件的参数选择。执行元件的参数选择。功率(力功率(力/力矩)匹配以及过载能力的验算。力矩)匹配以及过载能力的验算。各主要元件的选择与控制电路的设计。各主要元件的选择
3、与控制电路的设计。信号的有效传递。信号的有效传递。各级增益的分配。各级增益的分配。各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。建立系统数学模型建立系统数学模型 1/11/202336.1 稳态与动态设计稳态与动态设计机电伺服系统设计过程:机电伺服系统设计过程:1.初步设计方案初步设计方案2.理论设计理论设计 稳态设计稳态设计 动态设计动态设计 设计校正补偿装置,使系统满足动态技术指设计校正补偿装置,使系统满足动态技术指标要求。通常需进行计算机仿真,或用计算机进标要求。通常需进行计算机仿真,或用计算机进行辅助设计行辅助设计3.试验与调试试验与调试1/11/
4、202346.2 稳态设计稳态设计系统稳定设计的目的:系统稳定设计的目的:使控制被控对象能完成所需要的机械运使控制被控对象能完成所需要的机械运动,即进行机械系统的动,即进行机械系统的运动学运动学、动力学动力学分析分析以及计算,保障整个机电一体化系以及计算,保障整个机电一体化系统的整体性能。统的整体性能。1/11/20235一、典型负载分析(1)典型负载形式)典型负载形式 无论被控制对象的运动形式如何,负载形无论被控制对象的运动形式如何,负载形式及其特点千差万别,归纳起来具有一些共式及其特点千差万别,归纳起来具有一些共性负载性负载典型负载。典型负载。包括:包括:惯性负载惯性负载、外力负载外力负载
5、、弹性负载弹性负载、摩擦负载摩擦负载。目的:获取负载特征参量。为系统执行元件,目的:获取负载特征参量。为系统执行元件,机械变换机构等的选用或设计,系统进行稳机械变换机构等的选用或设计,系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。定性设计和动态设计创造条件。1/11/20236(2)惯量和负载的等效换算 惯量和负载转换的作用惯量和负载转换的作用:为使所选择执行元件(功率、力为使所选择执行元件(功率、力/力矩、运动力矩、运动参量)与被控对象的固有参数(质量、转动惯量、参量)与被控对象的固有参数(质量、转动惯量、运动参数)等相匹配,应将输出轴各部分的惯量运动参数)等相匹配,应将输出轴各部分的惯量和负载转换
6、到执行元件的输出端,以便和负载转换到执行元件的输出端,以便。JJ23i电动机1J4i12J1/11/202371)等效转动惯量的计算 无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动,应无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动,应用总动能不变的原理,可进行等效转动惯量的计算。用总动能不变的原理,可进行等效转动惯量的计算。能量守恒:能量守恒:E=EkTjjJkjnjnjmiViiF2121kjmijkimiikcqJvmJ等效惯量:21212121jmijimiiJvmE能量综合:221kkcqkJE等效能量:1/11/202382)等效负载转矩的计算 无论外部或内部负载是力还是力矩,应用虚功原
7、理,无论外部或内部负载是力还是力矩,应用虚功原理,可进行等效负载转矩的计算。可进行等效负载转矩的计算。mjjjmiiitTtvFW11虚功:tTWkkeqK等效虚功:mjkjjmikiikeqTvFT11/等效转矩:WWK能量守恒:1/11/20239二、执行元件的匹配选择 执行元件的匹配选择主要包括执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配转矩匹配、功率匹配功率匹配、过热保护系数过热保护系数和和过载保护系数验过载保护系数验算算四部分。四部分。直流电机直流电机步进电机及驱动步进电机及驱动步进电机基本结构步进电机基本结构1/11/202310(1)执行元件的转矩匹配)执行元件的转矩匹配TTTmeq惯 考
8、虑机械传动效率,则执行元件的等效输出考虑机械传动效率,则执行元件的等效输出转矩:转矩:注意:执行元件为伺服电动机时,电动机工注意:执行元件为伺服电动机时,电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。作区域应在恒转矩输出调速区内。测算执行元件输出轴上的等效转矩测算执行元件输出轴上的等效转矩 (摩(摩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩T惯的总和。的总和。mcqT/)(/TTTmeq惯1/11/202311(2)执行元件的功率匹配 电机功率的合理确定是执行元件选择的重要电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。参数之一。主要依据电机的等效负载和最高转速确定。主要依据电机
9、的等效负载和最高转速确定。常用下式进行预选。常用下式进行预选。maxmax55.9TnJTPmmeqmeq 再通过过热验算和过载验算,最终确定电再通过过热验算和过载验算,最终确定电机的功率。机的功率。1/11/202312(3)电机的过热验算)电机的过热验算 电机在一定工作时间范围内,负载转矩变化时,应用等电机在一定工作时间范围内,负载转矩变化时,应用等效法(励磁磁通近似不变)计算电机的等效转矩(平均转效法(励磁磁通近似不变)计算电机的等效转矩(平均转矩)。矩)。电机不产生过热的条件为:电机不产生过热的条件为:,电机的电机的21122121tttTtTTeqeqNTTeqNPP mNkTTma
10、x1/11/202313三、三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比匹配的减速比匹配的目的目的是可最终获得被控制对象的运动规律和运是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。动速度要求。(1)减速比匹配选择的一般原则要求减速比匹配选择的一般原则要求 在第在第2章中,提到了机械传动减速比的分配原则,主要依据章中,提到了机械传动减速比的分配原则,主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小,以及综合考虑是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小,以及综合考虑来确定各级传动的减速比。来确定各级传动的减速比。JJ23i电动机1J4i12J 本节提到的减速比匹配
11、本节提到的减速比匹配及分配,是以满足控制及分配,是以满足控制对象的运动特性、加速对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。特性和动力特性为准则。1/11/202314 即依据负载特性、脉冲当量(分辨率)、系统综即依据负载特性、脉冲当量(分辨率)、系统综合要求等来选择确定。减速比要满足被控制对象的合要求等来选择确定。减速比要满足被控制对象的调速范围,并使在一定条件下综合指标参数达到最调速范围,并使在一定条件下综合指标参数达到最佳,也要满足脉冲当量(分辨率)与进给角之间的佳,也要满足脉冲当量(分辨率)与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出
12、转矩最大等要求最大等要求。(2)各级减速比的分配原则)各级减速比的分配原则与方法与方法 1)按加速度最大原则选择减速比按加速度最大原则选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时,应当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时,应按下式决定减速比按下式决定减速比 i:212mLmLFmLFJJTTTTi1/11/2023152)按输入速度恒定原则选择减速比按输入速度恒定原则选择减速比 在输入速度信号近似恒速时,有加速度最小,可按下式确在输入速度信号近似恒速时,有加速度最小,可按下式确定减速比定减速比 i:21122ffTTTTimLFmLF负载的粘性摩擦系数电动机的粘性摩擦系数21ffoli
13、3600maxninkki1max即即 最小原则:最小原则:1/11/2023165)按速度和加速度规定要求选择减速比按速度和加速度规定要求选择减速比 在速度和加速度有要求时,除按加速度最大原则在速度和加速度有要求时,除按加速度最大原则选择减速比外,还应依据负载最大角速度与电机输选择减速比外,还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系,最终确定减速比。出角速度之间的关系,最终确定减速比。mLimax 注意:应用上述方法确定机械传动部分的减速比,注意:应用上述方法确定机械传动部分的减速比,不能单一应用某一种方法,应用多种方法,综合分不能单一应用某一种方法,应用多种方法,综合分析,结合被控制
14、对象的具体情况,在依据减速比的析,结合被控制对象的具体情况,在依据减速比的分配原则(分配原则(2章),最终确定机械传动总减速比和章),最终确定机械传动总减速比和各级减速比。各级减速比。1/11/202317四、四、检测传感装置、信号转换接口电路、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配与设计放大电路、电源的匹配与设计 1)检测传感装置的选择检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型,考虑依据被检测对象的类型,考虑传感器的精度(分辨传感器的精度(分辨率)、不灵敏区、工作范围、输入率)、不灵敏区、工作范围、输入/输出特性(线输出特性(线性)、信号转换时间、信噪比、转动惯量和摩擦特性、性)
15、、信号转换时间、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等,合理选择传感器。稳定性和可靠性等,合理选择传感器。2)2)信号转换接口电路信号转换接口电路 尽可能选用标准、通用、商业集成元件。考虑输尽可能选用标准、通用、商业集成元件。考虑输入输出通道数,入输出通道数,匹配匹配问题。问题。1/11/2023183)伺服系统放大器(驱动电路)的设计与选用伺服系统放大器(驱动电路)的设计与选用 驱动电路设计通常分为两部分:信号处理与功率放大(提驱动电路设计通常分为两部分:信号处理与功率放大(提高信号品质为主),功率放大(增大能量为主)。高信号品质为主),功率放大(增大能量为主)。具体要求:具体要求:a
16、)最后输出级的功率应与执行元件功率(电流、电压、容最后输出级的功率应与执行元件功率(电流、电压、容量、额定值)相匹配。量、额定值)相匹配。输出阻抗小输出阻抗小、效率高效率高、时间常数小时间常数小。b)为为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。制动条件制动条件、限流保护条件限流保护条件等。等。c c)放大器应有足够的线性范围,保障执行元件的容量得以放大器应有足够的线性范围,保障执行元件的容量得以正常发挥。正常发挥。d)输入级应与检测传感器相匹配。输入级应与检测传感器相匹配。输入阻抗大,可减轻检测传感器的负荷。输入阻抗大,可减轻检测传感器的负荷。e e)放大器
17、要有足够的放大倍数,工作特性稳定可靠、易于放大器要有足够的放大倍数,工作特性稳定可靠、易于调整等。调整等。1/11/2023194)伺服系统的能源(电源)支持伺服系统的能源(电源)支持 电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和要求不同的限制,电源供给统一是困难的。但是、在设计电要求不同的限制,电源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时,应尽可能地作到电源的输出类型要少,在电源参源系统时,应尽可能地作到电源的输出类型要少,在电源参量输出具有量输出具有足够稳定性(电压、频率)的同时足够稳定性(电压、频率)的同时,要采取保护,要采取保护措
18、施,措施,防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。常用措施:常用措施:滤波、隔离、屏蔽干扰信号;稳压、限压、限滤波、隔离、屏蔽干扰信号;稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。流、断电保护和短路保护。1/11/202320五、五、系统数学模型的建立系统数学模型的建立 在稳态设计基础上,利用所选元部件的有关参在稳态设计基础上,利用所选元部件的有关参数,可绘制出系统框图,并建立各环节传递函数,数,可绘制出系统框图,并建立各环节传递函数,进而建立系统传递函数。
19、进而建立系统传递函数。1/11/202321五、五、系统数学模型的建立系统数学模型的建立 机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多样的,但从控制系统工作原理上讲,主要分为多样的,但从控制系统工作原理上讲,主要分为开环控制开环控制、半闭环控制半闭环控制、闭环控制闭环控制三类数学模型。三类数学模型。下面结合典型实例进行学习。下面结合典型实例进行学习。(1)开环控制系统)开环控制系统 开环控制比较简单,前面已学习。开环控制比较简单,前面已学习。传递函数数学模型为:传递函数数学模型为:(2)半闭环控制系统)半闭环控制系统 如图如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制
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